南海北部沉積物中氮形態(tài)變化及其生態(tài)效應(yīng)

南海北部沉積物中氮形態(tài)變化及其生態(tài)效應(yīng)

研究表明，氮和磷是淡水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要限制因素。schindle等人發(fā)現(xiàn)氮是限制浮游生物生長(zhǎng)的主要因素。xu等人對(duì)太湖進(jìn)行了研究表明，氮是夏季有毒藍(lán)藻繁殖的限制因素。雖然減少磷非常重要，但減少氮可以實(shí)質(zhì)性地控制太湖綠藻的數(shù)量和時(shí)間。近年來(lái)，隨著海洋營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程的加劇，養(yǎng)分逐漸從養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為富營(yíng)養(yǎng)化。在富營(yíng)養(yǎng)化的早期階段，水體（tn）的超標(biāo)率高于（tp）。隨著沉積物從磷酸控制湖泊逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈刂坪吹霓D(zhuǎn)變，沉積物作為營(yíng)養(yǎng)鹽的“來(lái)源”和“交換”，可以通過(guò)一定條件下通過(guò)間歇水和上覆水之間的交換來(lái)影響沉積物中的營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化有重要影響。近年來(lái)，隨著海洋流域的妥善控制，氮輸入逐漸減少，沉積物內(nèi)源對(duì)水體（tn）的影響加劇。不同形式的沉積物氮的釋放順序分為ttn（可轉(zhuǎn)化氮）和ntn（非硝基氮）。馬宏波等人在沉積物氮分類的基本方法中提出了沉積物氮的分類、浸泡法的分離，將沉積物氮的提取順序分為ttn（可轉(zhuǎn)化氮）和ntn（非轉(zhuǎn)化氮）。評(píng)價(jià)體系。不同形式氮的相對(duì)反應(yīng)順序?yàn)閟of-n（離子交換氮）、waef-n（弱酸提取氮）、saef-n（強(qiáng)堿提取氮）和soef-n（強(qiáng)氧化提取氮）。每個(gè)形式氮對(duì)界面交換的絕對(duì)貢獻(xiàn)順序?yàn)閟of-n、ief-n、saef-n和watav-n。王勝瑞等人表明，不同大小的沉積物中不同形態(tài)氮的沉積含量和化合物性質(zhì)不同。在這項(xiàng)工作中，我們分析了不同大小的云南沉積物氮對(duì)沉積的影響，評(píng)估了不同大小的云南沉積物氮對(duì)沉積物的影響，以及影響因素。1材料和方法1.1不同形態(tài)氮的季節(jié)變化洱海水體等深線及采樣點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)圖1.根據(jù)洱海湖底地形可將洱海分為北部(康廊—海舌以北),中部(龍龕—海舌)和南部(龍龕以南),按照代表不同區(qū)域特征為原則,選擇17個(gè)采樣點(diǎn),分別為北部(19、21、46、68、73號(hào)采樣點(diǎn))、中部(84、93、100、105、117、121號(hào)采樣點(diǎn))、南部(132、142、177、182、209、221號(hào)采樣點(diǎn)),利用彼得森采泥器,采集洱海表層10cm沉積物樣品;分別于2009年10月、2010年1月、4月和7月在19、21、68、73、84、100、105、142、177、221號(hào)采樣點(diǎn)采集表層10cm沉積物樣品,研究洱海沉積物中不同形態(tài)氮的季節(jié)性變化;根據(jù)有機(jī)污染物來(lái)源及沉積特征等因素,2009年10月在19、21、68、73、84、100、105、142、177、221號(hào)采樣點(diǎn),利用柱狀采泥器采集洱海0~40cm沉積物樣品,0~20cm按2cm分層,20~40cm按4cm分層,以研究洱海沉積物不同形態(tài)氮的垂向分布特征.采集樣品現(xiàn)場(chǎng)裝入塑封袋置于恒溫(4℃)箱內(nèi),帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍干燥,研磨、過(guò)篩備用.1.2soef-n的提取工藝w(TN)采用凱氏定氮法測(cè)定;采用逐級(jí)提取法將TTN分為IEF-N、WAEF-N、SAEF-N和SOEF-N,提取流程見(jiàn)表1.提取液中的ρ(NH4+-N)采用次溴酸鹽氧化法測(cè)定;ρ(NO3--N)采用鎘柱還原法測(cè)定;ρ(NO2--N)采用萘乙二胺分光光度法測(cè)定.數(shù)據(jù)分析采樣SPSS17.0和Excel2003軟件進(jìn)行,空間分布圖采用Mapinfoprofessional軟件繪制.2結(jié)果與分析2.1wtn與wtn相關(guān)性分析洱海表層沉積物中氮形態(tài)的空間分布如圖2所示.由圖2可見(jiàn),不同形態(tài)氮的空間分布不同.w(TN)為2354~6174mg/kg,平均值為4207mgue4d4kg,最大值出現(xiàn)在北部沙坪灣(21號(hào)采樣點(diǎn)),最小值出現(xiàn)在北部彌苴河沖擊扇下緣深水區(qū)(19號(hào)采樣點(diǎn)).w(TN)空間分布總體呈北部(4707mg/kg)>南部(4620mg/kg)>中部(2988mg/kg).高值區(qū)主要分布在北部湖灣和南部湖心平臺(tái)兩側(cè)深溝區(qū).w(TTN)為1158~2921mg/kg,平均值為1808mg/kg,占w(TN)的43%,與w(TN)呈極顯著正相關(guān)(R=0.8701,P<0.01);最大值和最小值出現(xiàn)的區(qū)域與w(TN)大致相同,空間分布總體呈南部>北部>中部,高值區(qū)主要分布在北部湖灣和南部的淺水區(qū)域.w(NTN)為1196~3872mg/kg,平均值為2004mg/kg,占w(TN)的57%,與w(TN)呈極顯著正相關(guān)(R=0.9542,P<0.01);最大值出現(xiàn)在南部湖心平臺(tái)西側(cè)深溝區(qū)(177號(hào)采樣點(diǎn)),最小值出現(xiàn)在北部彌苴河沖擊扇下緣深水區(qū)(19號(hào)采樣點(diǎn)),空間分布總體呈北部>南部>中部.王娟研究表明,長(zhǎng)江中下游湖泊沉積物中w(TN)平均值為2010mg/kg,其中w(TTN)平均值為969mg/kg,占w(TN)的54%;洱海沉積物中w(TN)明顯高于長(zhǎng)江中下游湖泊,其中TN以非可轉(zhuǎn)化態(tài)氮為主,氮的活性較弱,因此洱海沉積物內(nèi)源釋放量較低,近年來(lái)其上覆水水質(zhì)較好,ρ(TN)穩(wěn)定在GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水平.IEF-N為最容易釋放的氮形態(tài).洱海沉積物中w(IEF-N)為66~130mg/kg,平均值為87mg/kg,占w(TTN)的4.8%,與w(TTN)呈極顯著正相關(guān),最大值出現(xiàn)在北部沙坪灣(21號(hào)采樣點(diǎn)),最小值出現(xiàn)在中部狹口區(qū)域(84號(hào)采樣點(diǎn)),總體呈北部>南部>中部.WAEF-N為溶解性有機(jī)物結(jié)合的有機(jī)氮及碳酸鹽結(jié)合的無(wú)機(jī)氮,w(WAEF-N)為91~210mg/kg,平均值為134mg/kg,占w(TTN)的7.4%,與w(TTN)呈顯著正相關(guān),最大值出現(xiàn)在南部出湖口(221號(hào)采樣點(diǎn)),最小值出現(xiàn)在南部湖心區(qū)(209號(hào)采樣點(diǎn)),總體呈北部>南部>中部.SAEF-N為對(duì)氧化還原環(huán)境敏感的、與鐵錳化合物結(jié)合的氮形態(tài),w(SAEF-N)為38~198mg/kg,平均值為128mg/kg,占w(TTN)的7.1%,與w(TTN)呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)系數(shù)較小,最大值出現(xiàn)在洱海最深處(105號(hào)采樣點(diǎn)),最小值出現(xiàn)在海舌灣(73號(hào)采樣點(diǎn)),總體呈中部>南部>北部.SOEF-N主要指與有機(jī)質(zhì)和硫化物結(jié)合的氮形態(tài),w(SOEF-N)為974~2515mg/kg,平均值為1459mg/kg,占w(TTN)的81%,與w(TTN)呈極顯著正相關(guān),最大值出現(xiàn)在北部沙坪灣(21號(hào)采樣點(diǎn)),最小值出現(xiàn)在洱海最深處(105號(hào)采樣點(diǎn)),總體呈南部>北部>中部.洱海表層沉積物中w(SOEF-N)>w(WAEF-N)>w(SAEF-N)>w(IEF-N).王娟研究表明,長(zhǎng)江中下游湖泊沉積物中w(SOEF-N)>w(IEF-N)>w(WAEF-N)>w(SAEF-N),可見(jiàn)洱海沉積物中w(IEF-N)相對(duì)較小,IEF-N為沉積物-水界面交換的主要氮形態(tài),表明洱海沉積物氮釋放量較小,但生物可利用氮(WAEF-N)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其所占比例均較高,因此洱海沉積物氮的釋放風(fēng)險(xiǎn)較大.2.2不同季節(jié)動(dòng)態(tài)洱海沉積物中不同形態(tài)氮的季節(jié)性變化如圖3所示.由圖3可見(jiàn),w(TN)和w(NTN)在夏季(7月)最高,w(TTN)在冬季(1月)最高,w(TN)、w(TTN)和w(NTN)秋季(10月)最低;w(TN)和w(TTN)季節(jié)間差異不顯著,w(NTN)夏季和秋季差異顯著(P<0.05),可見(jiàn)洱海沉積物中w(NTN)季節(jié)性變化較明顯.洱海流域7月為雨季,大量外源污染物隨雨水進(jìn)入洱海,其攜帶的大量含氮污染物使沉積物中w(TN)和w(NTN)升高,但由于洱海水體擾動(dòng)較強(qiáng),污染物會(huì)懸浮再沉積,因此w(TN)和w(TTN)季節(jié)性變化不明顯.7—10月洱海水生植物大量生長(zhǎng),促進(jìn)NTN向TTN轉(zhuǎn)化,從而使沉積物中w(NTN)的變化較大,冬季植物衰退,吸收TTN的量減少,從而使w(TTN)升高.洱海表層沉積物中w(IEF-N)和w(SAEF-N)夏季最低,冬季最高;w(WAEF-N)春季最低,冬季最高;w(SOEF-N)秋季最低,冬季最高.各形態(tài)氮不同季節(jié)間差異不顯著.這主要是因?yàn)橄募舅参锷L(zhǎng)旺盛,沉積物中活性氮(IEF-N)向上覆水中釋放并被植物吸收利用,使沉積物中w(IEF-N)下降;同時(shí),由于植物的活動(dòng)及外源水體的進(jìn)入,使湖泊水體中ρ(DO)增加,沉積物中鐵錳化合物結(jié)合態(tài)氮向活性氮轉(zhuǎn)化,w(SAEF-N)降低.春季洱海風(fēng)浪較大,水體擾動(dòng)增強(qiáng),促進(jìn)了溶解性有機(jī)物結(jié)合的有機(jī)氮及碳酸鹽結(jié)合的無(wú)機(jī)氮向上覆水中的釋放,沉積物中w(WAEF-N)降低.SOEF-N主要指與有機(jī)質(zhì)和硫化物結(jié)合的氮形態(tài),7月由于外源氮的輸入w(SOEF-N)略有升高,秋季由于植物長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)化作用而減少.2.3形態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)洱海沉積物中不同形態(tài)氮垂向分布如圖4所示.由圖4可見(jiàn),10個(gè)采樣點(diǎn)各形態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值隨著沉積物深度的增加均呈下降趨勢(shì),在10cm處出現(xiàn)拐點(diǎn),除w(IEF-N)和w(WAEF-N)以外,其他形態(tài)氮在0~10cm基本保持穩(wěn)定.其中,w(IEF-N)在10~16cm略有升高,在16~40cm保持穩(wěn)定;w(WAEF-N)在10~26cm呈波動(dòng)式變化,26~40cm基本保持穩(wěn)定.IEF-N為沉積物中最活躍的TTN,是沉積物與間隙水交換的主要氮形態(tài),因?yàn)樗?土界面的元素遷移主要發(fā)生在沉積物0~15cm內(nèi),因此,w(IEF-N)在0~16cm隨深度呈下降趨勢(shì).w(WAEF-N)在0~25cm呈波動(dòng)式上升趨勢(shì),主要是因?yàn)槠錇槿芙庑杂袡C(jī)物結(jié)合的有機(jī)氮及碳酸鹽結(jié)合的無(wú)機(jī)氮,受環(huán)境影響較大.張振克等研究表明,洱海流域在該時(shí)段為宋元朝代交替,人類對(duì)流域生態(tài)環(huán)境影響波動(dòng)較大,使外源有機(jī)質(zhì)輸入發(fā)生波動(dòng),從而影響WAEF-N的沉積.w(IEF-N)與w(TN)呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)性較小,其他形態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與w(TN)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),表明除IEF-N外其他形態(tài)氮均與TN同步沉積.總體上洱海沉積物不同形態(tài)氮均呈表層富集現(xiàn)象,主要是因?yàn)榻陙?lái)流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及湖泊水生植被退化所致.利用指數(shù)增長(zhǎng)模型對(duì)洱海沉積物各形態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨沉積深度的變化進(jìn)行擬合:式中:y為各形態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg/kg;x為沉積物深度,cm;a為隨著沉積物深度的增加不同形態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化速率,mg/(kg·cm);b為沉積物表層w(N)的最大容量值,mg/kg.洱海沉積物中不同形態(tài)氮的擬合參數(shù)見(jiàn)表2.根據(jù)R2可見(jiàn),除w(IEF-N)外各形態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著沉積物深度的變化均符合指數(shù)增長(zhǎng)模型.除w(IEF-N)外各形態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)擬合模型的a值均為負(fù)值,表明隨著沉積物深度的增加各形態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈下降趨勢(shì),表現(xiàn)為表層富集.根據(jù)a值可見(jiàn),各形態(tài)氮表層富集程度為NTN>TN>TTN,TTN中WAEF-N的表層富集程度最小,表明近年來(lái)洱海沉積物中氮主要以NTN形態(tài)沉積,TTN主要以SAEF-N及WAEF-N形態(tài)沉積.3討論3.1海底沉積特征沉積物中不同形態(tài)氮的分布是外源污染物輸入后在水體動(dòng)力的作用下在不同區(qū)域沉降的結(jié)果,同時(shí)沉積后的氮素在水體擾動(dòng)下會(huì)發(fā)生懸浮再分配.穩(wěn)定沉積后的氮素在生物及pH、DO等環(huán)境因子作用下發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化,逐步向下沉積或釋放到水體中并被生物吸收利用.洱海沉積物中w(TN)和w(NTN)總體呈北部>南部>中部,主要是因?yàn)槎Ｋw總體上由北向南運(yùn)動(dòng),在水動(dòng)力作用下,外源輸入的氮素隨水流逐步沉積所致.6~7月洱海流域?yàn)橛昙局?入湖河流氮負(fù)荷較高,因此7月表層沉積物中w(TN)和w(NTN)年內(nèi)最高.由表3可見(jiàn),表層沉積物中w(TN)、w(TTN)和w(NTN)與w(TOM)呈顯著正相關(guān),說(shuō)明氮素主要賦存于有機(jī)殘?bào)w和輕質(zhì)顆粒物中;洱海水體在北部、中部和南部形成3個(gè)環(huán)流,在各湖灣形成小的環(huán)流,在環(huán)流作用下表層沉積物中w(TN)、w(TTN)和w(NTN)與水深呈負(fù)相關(guān),致使中部w(TN)、w(TTN)和w(NTN)較低.北部19號(hào)采樣點(diǎn)沉積物中w(TN)最低,主要是因?yàn)樵搮^(qū)域在彌苴河沖擊扇下緣,以大的砂質(zhì)顆粒沉積為主.TTN的一部分來(lái)源于外源,另一部分來(lái)源于沉積物中氮素的轉(zhuǎn)化.洱海沉積物中w(TTN)南部較高,主要是因?yàn)楸辈克w交換快,使沉積物中TTN進(jìn)入水體,同時(shí)北部水生植物覆蓋面積較大,沉積物中TTN被植物吸收利用,使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低;而南部水體交換相對(duì)較慢,有利于氮的沉積.10月降水量減少,洱海開(kāi)始蓄水,水體交換變慢,氮素沉積,使該月表層沉積物中w(TTN)較高.不同形態(tài)TTN的分布不僅受水體動(dòng)力學(xué)影響,同時(shí)受生物及環(huán)境影響相互轉(zhuǎn)化.由表3可見(jiàn),洱海表層沉積物中w(IEF-N)、w(WAEF-N)和w(SOEF-N)與水深均呈極顯著負(fù)相關(guān),隨水深的增加而減少,因此中部較低.洱海表層沉積物中w(SAEF-N)與水深呈正相關(guān),與w(TOM)呈負(fù)相關(guān),主要是因?yàn)镾AEF-N為金屬氧化物結(jié)合態(tài)氮,以鋁氧化物結(jié)合態(tài)氮為主,水體越深,w(TOM)越低,受生物影響越小,鋁氧化物越穩(wěn)定,因此在洱海最深處表層沉積物中w(SAEF-N)最高,總體上中部最高.在垂向分布上,沉積物中w(TN)、w(TTN)和w(NTN)隨著沉積物深度的增加均呈下降趨勢(shì),并且與w(TOM)、pH呈顯著正相關(guān)(見(jiàn)表4),表明隨著沉積物深度的增加,在生物作用下氮素隨有機(jī)質(zhì)逐漸礦化釋放,并且逐漸減弱趨于穩(wěn)定.沉積物中w(WAEF-N)、w(SAEF-N)和w(SOEF-N)隨著深度的增加均呈下降趨勢(shì),最后保持穩(wěn)定.3種形態(tài)氮與w(TOM)、pH呈極顯著正相關(guān),表明其與有機(jī)質(zhì)同步沉積,同時(shí)在沉積過(guò)程中,由于生物的作用3種形態(tài)氮逐步釋放直至穩(wěn)定.w(IEF-N)與w(TOM)和pH呈負(fù)相關(guān),因?yàn)镮EF-N是與水體交換的主要氮形態(tài),受有機(jī)質(zhì)吸附和生物利用影響較大.3.2控制外源氮素輸入,加強(qiáng)湖泊生態(tài)修復(fù)洱海在沉積物中w(TN)在空間分布上表現(xiàn)為北部較高,并且高值區(qū)主要分布在北部湖灣和南部淺水區(qū)域,雨季(7月)w(TN)明顯升高,各形態(tài)氮表層富集現(xiàn)象明顯,說(shuō)明近年來(lái)洱海外源氮輸入量增加;w(TN)和w(TOM)呈正相關(guān),說(shuō)明近年來(lái)入湖氮素主要為NTN,農(nóng)田面源及生活廢水是主要來(lái)源,因此應(yīng)加強(qiáng)控制外源氮素的輸入.雖然洱海沉積物中w(TN)較高,但是w(NTN)所占比例較高,w(TTN)中w(IEF-N)所占比例較低,因此沉積物可釋放氮量較低,這也是洱海水體中ρ(TN)較低的重要原因之一.洱海沉積物中各形態(tài)氮表層富集現(xiàn)象明顯,w(TTN)及其所占比例高于長(zhǎng)江中下游湖泊,在平水期(1月)w(